Проектирование усилителя мощности на основе ОУ

  • Вид работы:
    Тип работы
  • Предмет:
    Электротехника
  • Язык:
    Русский
    ,
    Формат файла:
    MS Word
    18,32 kb
  • Опубликовано:
    2008-12-09
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

Проектирование усилителя мощности на основе ОУ

 Задание на курсовое проектирование по курсу

«Основы электроники и схемотехники»



Студент: Данченков А.В.  группа ИИ-1-95.

Тема:  «Проектирование усилительных устройств на базе интегральных операционных усилителей»

Вариант №2.

      Расчитать усилитель мощности  на базе интегральных операционных усилителей с двухтактным оконечным каскадом на дискретных элементах в режиме АВ.

Исходные данные:

 

Eг , мВ

Rг ,  кОм

Pн , Вт

Rн , Ом

1.5

1.0

5

4.0

 

      Оценить, какие параметры усилителя влияют на завал  АЧХ в области верхних и нижних частот.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

 

 

 Структура усилителя мощности .................................................................... 3     

 

     Предварительная схема УМ (рис.6) .............................................................. 5

     Расчёт параметров усилителя мощности ...................................................... 6

1.   Расчёт амплитудных значений тока и напряжения .............................. 6

2.   Предварительный расчёт оконечного каскада ...................................... 6

3.   Окончательный расчёт оконечного каскада ......................................... 9

4.   Задание режима АВ. Расчёт делителя .................................................. 10

5.   Расчёт параметров УМ с замкнутой цепью ООС ................................ 11

6.   Оценка параметров усилителя на завал АЧХ в области ВЧ и НЧ ...... 12

 

     Заключение .................................................................................................... 13

 

     Принципиальная схема усилителя мощности .............................................. 14

     Спецификация элементов .............................................................................. 15

     Библиографический список .......................................................................... 16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

            В настоящее время в технике повсеместно используются разнообразные усилительные устройства. Куда мы не посмотрим - усилители повсюду окружают нас. В каждом радиоприёмнике, в каждом телевизоре, в компьютере и станке с числовым программным управлением есть усилительные каскады. Эти устройства, воистину, являются грандиознейшим изобретением человечества .

          В зависимости от типа усиливаемого параметра усилительные  устройства делятся на усилители тока, напряжения и мощности.

          В данном курсовом проекте решается задача проектирования усилителя мощности (УМ) на основе операционных усилителей (ОУ).  В задачу входит анализ исходных данных на предмет оптимального выбора структурной схемы и типа электронных компонентов, входящих в состав устройства,  расчёт цепей усилителя и параметров его компонентов, и анализ частотных характеристик полученного устройства. 

          Для разработки данного усилителя мощности следует произвести предварительный расчёт и оценить колличество и тип основных элементов - интегральных операционных усилителей. После этого следует выбрать принципиальную схему  предварительного усилительного каскада на ОУ и оконечного каскада (бустера).  Затем необходимо расчитать корректирующие элементы, задающие режим усилителя ( в нашем случае АВ ) и оценить влияние параметров элементов схемы на АЧХ в области верхних и нижних частот.

          Оптимизация выбора составных компонентов состоит в том, что при проектировании усилителя следует использовать такие элементы, чтобы их параметры обеспечивали максимальную эффективность устройства по заданным характеристикам, а также его экономичность с точки зрения расхода энергии питания и себестоимости входящих в него компонентов.

Структура усилителя мощности

 

         Усилитель мощности предназначен для передачи больших  мощностей сигнала без искажений в низкоомную нагрузку. Обычно они являются выходными каскадами многокаскадных усилителей. Основной задачей усилителя мощности является выделение на нагрузке возможно большей мощности. Усиление напряжения в нём является  второстепенным фактом.          Для того  чтобы  усилитель отдавал в нагрузку максимальную мощность, необходимо выполнить условие Rвых= Rн . 

              Основными показателями усилителя мощности являются: отдаваемая в нагрузку полезная мощность Pн , коэффициент полезного действия h , коэффициент нелинейных искажений Kг   и полоса пропускания АЧХ.

         Оценив требуемые по заданию параметры усилителя мощности, выбираем структурную схему , представленную на  рис.1 , основой которой является предварительный усилительный каскад на двух интегральных операционных усилителях  К140УД6  и оконечный каскад (бустер) на комплементарных парах биполярных транзисторов. Поскольку нам требуется усиление по мощности, а усиление по напряжению для нас не важно, включим транзисторы оконечного каскада по схеме “общий коллектор” (ОК). При такой схеме включения оконечный каскад позволяет осуществить согласование низкоомной нагрузки с интегральным операционным усилителем, требующим на своём входе высокоомную   нагрузку (т.к. каскад “общий коллектор”  характеризуется  большим входным Rвх  и малым выходным Rвых сопротивлениями), к тому же каскад ОК имеет малые частотные искажения и малые коэффициенты нелинейных искажений. Коэффициент усиления по напряжению  каскада “общий коллектор”  Ku £ 1.

        Для повышения стабильности работы усилителя мощности предварительный и оконечный каскады охвачены общей последовательной отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению. В качестве разделительного элемента на входе УМ применён конденсатор Cр . В качестве источника питания применён двухполярный источник с напряжением              Eк = ± 15 В.

        Режим работы оконечного каскада определяется режимом покоя (классом усиления) входящих в него комплементарных пар биполярных транзисторов. Существует пять классов усиления: А, В, АВ, С и D , но мы рассмотрим только три основных: А, В и АВ.

        Режим класса А характеризуется  низким уровнем нелинейных искажений (Kг £ 1%) низким КПД  (h <0,4). На выходной вольт-амперной характеристике (ВАХ) транзистора (см. рис. 2.1)  в режиме класса А  рабочая точка ( IK0 и UKЭ0) располагается на середине нагрузочной прямой так, чтобы амплитудные значения сигналов не выходили за те пределы нагрузочной прямой, где изменения тока коллектора прямо пропорциональны изменениям тока базы.  При работе в режиме класса А транзистор всё время  находится в открытом состоянии и потребление мощности происходит в любой момент. Режим усиления класса А  применяется в тех случаях, когда необходимы минимальные искажения  а  Pн  и h не имеют решающего значения.

        Режим класса В характеризуется  большим уровнем нелинейных искажений (Kг £ 10%) и  относительно высоким КПД  (h <0,7)Для этого класса характерен IБ0 = 0 ( рис 2.2), то есть в режиме покоя транзистор закрыт и не потребляет мощности от источника питания.   Режим В применяется в мощных выходных каскадах, когда неважен высокий уровень искажений.

         Режим класса АВ занимает промежуточное положение между режимами  классов А и В. Он применяется в двухтактных устройствах. В режиме покоя транзистор лишь немного приоткрыт, в нём протекает небольшой                  ток  IБ0  (рис. 2.3),  выводящий основную часть рабочей полуволны  Uвх  на участок  ВАХ  с относительно малой нелинейностью. Так как IБ0  мал, то h здесь выше, чем в классе А , но ниже, чем в классе В , так как всё же IБ0 > 0. Нелинейные искажения усилителя, работающего в режиме класса АВ , относительно невелики (Kг £ 3%) .

          В данном курсовом проекте режим класса АВ задаётся делителем на резисторах R3 - R4  и кремниевых диодах VD1-VD2 .





 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

            рис 2.1                                        рис 2.2                                           рис 2.3

 

 

Расчёт параметров усилителя мощности

           1. Расчёт амплитудных значений тока и напряжения на нагрузке

 

1.1 Найдём значение амплитуды на нагрузке Uн . Поскольку в задании дано действующее значение мощности, применим формулу:

                            Uн2                                     ______       ______________

Pн =  ¾¾¾    Þ   Uн = Ö 2Rн Pн    = Ö 2 * 4 Ом * 5 Вт  =  6.32 В

                           2Rн

1.2  Найдём значение амплитуды тока на нагрузке  Iн  :

 

                                                                                           Uн                        6.32 В

                           Iн ¾¾¾  =   ¾¾¾¾  =  1.16 А

                                                        Rн                          4 Ом




2. Предварительный расчёт оконечного каскада

 

         Для упрощения расчёта проведём его сначала для режима В.

 2.1 По полученному значению Iн  выбираем по таблице ( Iк ДОП > Iн)  комплиментарную пару биполярных транзисторов  VT1-VT2 :  КТ-817 (n-p-n типа) и КТ-816 (p-n-p типа).  Произведём  предварительный расчёт энергетических параметров верхнего плеча бустера (см рис. 3.1).

                                               

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.1

 

2.2   Найдём входную мощность оконечного каскада Pвх . Для этого нужно сначала расчитать коэффициент усиления по мощности оконечного каскада Kpок , который равен произведению коэффициента усиления по току Kна коэффициент усиления по напряжению Ku :

Kpок = Ki * Ku

        Как известно, для каскада ОК  Ku £ 1 , поэтому, пренебрегая Ku , можно записать:

Kpок » Ki

 

        Поскольку  Ki = b+1  имеем:

Kpок » b+1

         Из технической документации на транзисторы для нашей комплементарной пары получаем  b = 30 Поскольку b велико, можно принять Kpок  = b+1 » bОтсюда  Kpок  = 30 .

         Найдём собственно выходную мощность бустера. Из соотношения

                                                                       Pн

 Kpок  = ¾¾

                                                                       Pвх

                                          Pн           

         получим        Pвх ¾¾    ,  а с учётом предыдущих приближений

                                         Kpок

 

                                     

            Pн

Pвх  ¾¾ 

             b

      5000 мВт

¾¾¾¾¾ = 160 мВт

           30

 

 

 

 

2.3    Определим амплитуду тока базы  транзистора VT1   Iбvt1 :

                                Iк

                    Iб = ¾¾¾   ,     т.к.  Iн = Iкvt1       получим :

                              1+b

                                             Iн                       Iн               1600 мА              

Iбvt1  = ¾¾¾  » ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 52 мА

                                         1+bvt1                 bvt1                     30

         переходе Uбэ  (cм. рис 3.2)




рис 3.2

 

        Отсюда находим входное напряжение Uвхvt1

 

 

Uвхvt1 = Uбэvt1 + Uн  = 1.2 В + 6.32 В = 7.6 В

 

2.5    Определим входное сопротивление верхнего плеча бустера Rвх :

                                          Uвх                 Uвх                 7.6 В

Rвх = ¾¾¾ = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 150 Ом

                                          Iвхvt1                Iбvt1             5.2*10-3

 

               Поскольку из-за технологических особенностей конструкции интегрального операционного усилителя  К140УД6 полученное входное сопротивление (оно же сопротивление нагрузки ОУ ) мало (для    К140УД6   минимальное сопротивление нагрузки   Rmin оу = 1 кОм ), поэтому для построения оконечного каскада выбираем составную схему включения (чтобы увеличить входное сопротивление Rвх ). Исходя из величины тока базы транзистора VT1 Iбvt1 (который является одновременно и коллекторным током транзистора VT3 ) выбираем комплементарную пару на транзисторах КТ-361 (p-n-p типа) и КТ-315 (n-p-n типа). Соответственно схема оконечного каскада примет вид, показанный на  рис. 3.3 .



рис. 3.3

 

 

 

3. Окончательный расчёт оконечного каскада

3.1   Расчитаем входную мощность  Pвхок полученного составного оконечного каскада.  Исходя из того, что мощность на входе транзистора VT1   Pвх  мы посчитали в пункте 2.2 , получим :

                                           Pвх                 Pвх             160 мВт

Pвхок = ¾¾¾ » ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 3.2 мВт

                                         bvt3+1          b             50

3.2    Определим амплитуду тока базы   Iбvt3  транзистора VT3. Поскольку      Iкvt3 » Iбvt1  имеем :

                                              Iкvt3                  Iбvt1           52 мА

Iбvt3 = ¾¾¾ » ¾¾¾ = ¾¾¾ » 1 мА

                                            1+bvt3              bvt3                  50

 

 

3.3  Определим  по входной ВАХ транзистора VT3 напряжение на управляющем переходе  Uбэvt3  (см. рис. 3.4 ). Поскольку Uбэvt3 = 0.6 В , для входного напряжения оконечного каскада Uвхок имеем:

           

Uвхок = Uн + Uбэvt1 + Uбэvt1  = (6.32 + 1.2 + 0.6) В = 8 В

             

              




рис 3.4

 

3.4      Определим входное сопротивление оконечного каскада Rвхок :

     

 

                                                     Uвхок         8  В

Rвхок =  ¾¾¾ = ¾¾¾ = 8 кОм

                                                       Iбvt3              1 мА

          Полученное входное сопротивление полностью удовлетворяет условию

 Rвхок ³ Rн min оу

 

  где  Rн min оу = 1кОм (для ОУ  К140УД6).

4. Задание режима АВ. Расчёт делителя

 

         Для перехода от режима В к режиму АВ на вход верхнего плеча нужно подать смещающее напряжение  +0.6 В,  а на  вход нижнего плеча - –0.6 В. При этом, поскольку эти смещающие напряжения  компенсируют друг друга, потенциал как на входе оконечного каскада, так и на его выходе останется нулевым. Для задания смещающего напряжения применим кремниевые диоды КД-223 (VD1-VD2, см. принципиальную схему), падение напряжения на которых Uд = 0.6 В

          Расчитаем сопротивления делителя Rд1= Rд2= Rд . Для этого зададим ток делителя Iд, который должен удовлетворять условию:

Iд  ³ 10*Iбvt3

 

         Положим Iд = 3 А  и воспользуемся формулой

                                     Ек Uд              (15 – 0.6) В

Rд¾¾¾¾ = ¾¾¾¾¾¾ = 4.8 Ом » 5 Ом

                                          Iд                               3 А

 

 

 

 

5. Расчёт параметров УМ с замкнутой цепью ООС

 

        Для улучшения ряда основных показателей и  повышения стабильности работы усилителя  охватим предварительный и оконечный каскады УМ общей последовательной отрицательной обратной связью (ООС)  по напряжению. Она задаётся резисторами R1 и R2  (см. схему на рис. 6 ).

        Исходя из технической документации на интегральный операционный усилитель К140УД6 его коэффициент усиления по напряжению  Kuоу1  равен 3*104 . Общий коэффицент усиления обоих ОУ равен :

Kuоу = Kuоу1 * Kuоу2 = 9*108

        Коэффициент усиления по напряжению каскадов, охваченных обратной  связью  Ku ос  равен:

                             Uвых ос                Кu                ( Kuоу1 * Kuоу2 * Kuок)          1

Ku ос = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ » ¾

                                Eг               1 + cKu            1 + c( Kuоу1 * Kuоу2 * Kuок)      c

 

рис. 3.5

        Изобразим упрощённую схему нашего усилителя , заменив оконечный каскад его входным сопротивлением (см. рис. 3.5 ) (ООС на схеме не показана, но подразумевеется ).  Здесь Rнэкв º Rвхок = 8 кОм ;  Uвых ос = Uвхок = 8 В ,          Ег = 15 В  (из задания ).

 

                                                   Uвых ос         8000 мВ

Ku ос = ¾¾¾ = ¾¾¾¾ = 5333

                                                       Eг                1.5 мВ

                                                     1            

¾  = Ku ос = 5333

                                                     c

         Найдём параметры сопротивлений R1 и R2 , задающих обратную связь. Зависимость коэффициента обратной связи c от  сопротивлений R1 и R2 может быть представлена следующим образом:

                                                                   R1

c =  ¾¾¾

        R1 + R2

 

               Зададим R1 = 0.1 кОм .  Тогда :

                   1            R1                     1

 ¾¾  = ¾¾¾¾¾¾ Þ  5333 = 1 + 10R2  Þ  R2 = 540 кОм

                Ku ос      R1 + R2            5333

 

6. Оценка влияния параметров усилителя  на завал                  АЧХ в области верхних и нижних частот

 

       Усилитель мощности должен работать в определённой полосе частот         ( от ¦н   до ¦в ) .   Такое задание частотных характеристик УМ означает, что на граничных частотах  ¦н   и ¦в  усиление снижается на 3 дБ по сравнению со средними частотами, т.е. коэффициенты частотных искажений Мн и Мв соответственно на частотах  ¦н   и ¦в  равены:

                                                                   __

Мн = Мв = Ö 2       (3 дБ)

 

        В области низких частот (НЧ) искажения зависят от постоянной времени tнс цепи переразряда разделительной ёмкости  Ср  :

                                                        _________________

Мнс = Ö 1 + (  1 / ( 2p¦нtнс ))2   

        Постоянная времени tнс  зависит от ёмкости конденсатора Ср и сопротивления цепи  переразряда  Rраз :

tнс = Ср* Rраз

 

             При наличии нескольких разделительных ёмкостей ( в нашем случае 2) Мн равно произведению Мнс  каждой ёмкости:

Мн = Мнс1 * Мнс2

         Спад АЧХ усилителя мощности в области высоких частот (ВЧ) обусловлен частотными искажениями каскадов на ОУ и оконечного каскада, а так же ёмкомтью нагрузки, если она имеется.  Коэффициент частотных искажений на частоте  ¦в   равен произведению частотных искажений каждого каскада усилителя:

Мв ум = Мв1 * Мв2 * Мвок * Мвн

 

               Здесь Мв1 , Мв2 , Мвок , Мвн  - коэффициенты частотных искажений соответственно каскадов на ОУ, оконечного каскада и ёмкости нагрузки Сн . Если Ku оу  выбран на порядок больше требуемого усиления каскада на ОУ, то каскад ОУ частотных искажений не вносит ( Мв1 = Мв2 = 1).

         Коэффициент искажений оконечного каскада задаётся формулой:

                                                          _________  

Мвок = 1 + ( Ö 1+ (¦в /¦b)  - 1)(1 - Kuoк)

         

         Здесь ¦b - верхняя частота выходных транзисторов. Коэффициент частотных искажений нагрузки Мвн , определяемый влиянием ёмкости нагрузки Сн в области высоких частот зависит от постоянной времени tвн нагрузочной ёмкости :

                                                        __________________

Мвн = Ö 1 + (  1 / ( 2p¦вtвн ))2   

 

 

tвн = Сн* (Rвыхум  | | Rн)

 

 

          При неправильном введении отрицательной обратной связи в области граничных верхних и нижних частот может возникнуть ПОС ( положительная обратная связь) и тогда устройство из усилителя превратится в генератор. Это происходит за счёт дополнительных фазовых сдвигов , вносимых как самим усилителем, так и цепью обратной связи. Эти сдвиги тем больше, чем большее число каскадов охвачено общей обратной связью. Поэтому не рекомендуется охватывать общей ООС больше, чем три каскада.   

Заключение

      В данном курсовом проекте мы расчитали основные параметры и элементы усилителя мощности, а так же оценили влияние параметров усилителя на завалы  АЧХ в области верхних и нижних частот.

Спецификация элементов

 

 

 

 

№ п/п

Обозначение

Тип

Кол - во

1

R1

Резистор МЛТ-0.5 - 0.1 кОм  ± 10 %

1

2

R2

Резистор МЛТ-0.5 - 540 кОм ± 10 %

1

3

Резистор МЛТ-0.5 - 5 Ом ± 10 %

2

4

VD1-VD2

Диод полупроводниковый  КД223

2

5

VT1

Транзистор КТ817

1

6

VT2

Транзистор КТ816

1

7

VT3

Транзистор КТ315

1

8

VT4

Транзистор КТ361

1

9

DA1-DA2

Операционный усилитель К140УД6

2

Библиографический список

 

 

 






1.   Д. В. Игумнов, Г.П. Костюнина - “Полупроводниковые устройства                    

     непрерывного действия “ - М: “Радио и связь”, 1990 г.

2.   В. П. Бабенко, Г.И. Изъюрова  - “Основы радиоэлектроники”. Пособие по

     курсовому проектированию - М: МИРЭА, 1985 г.

3.   Н.Н. Горюнов - “ Полупроводниковые приборы: транзисторы”   

     Справочник - М: “Энергоатомиздат”, 1985 г.

Похожие работы на - Проектирование усилителя мощности на основе ОУ

 

Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу
Без плагиата!